Традиционные и передовые технологии создания реактивной тяги

en 

На орбите космическому аппарату (КА) требуется бортовая или вторичная двигательная система для совершения маневров изменения и поддержания орбиты и контроля высоты. Важной проблемой при использовании любой двигательной установки КА является оценка и снижение эффектов, вызванных взаимодействием между струей двигателя и его поверхностью. Прямое воздействие струи ракетного двигателя малой тяги на поверхность может генерировать нежелательные моменты, а также приводить к локальному нагреву и загрязнению поверхности. Взаимодействие струи двигателя с поверхностью аппарата обычно происходит при малых углах поверхности относительно вектора тяги двигательной установки или происходит в области возвратного течения. Перекрестное взаимодействие (т.е. попадание струи двигателя одного КА на другой) может происходить практически под любым углом. Данная задача приобретает особую важность в связи с концепцией группировок микроспутников.

Несмотря на то, что известно достаточно мало аварий КА, вызванных взаимодействием аппарата со вторичной двигательной системой, узкие рамки современных космических миссий требуют все большей оптимизации КА. Более точный анализ эффектов взаимодействия поверхности КА со струями двигателей может позволить использовать двигатели даже на самых чувствительных к загрязнению поверхности аппаратов. Точное предсказание эффектов взаимодействия струи с аппаратом является технически сложной задачей. Воссоздание орбитальных условий в наземных установках требует привлечения больших ресурсов. Численное исследование двигателей реактивных силовых установок подразумевает моделирование течений плазмы и химически реагирующих газов с использованием современных высокоточных методов решения. В прошлом, в силу недостатка информации, нежелательные эффекты взаимодействия исключались путем использования консервативных конструкций КА. В последние несколько лет наблюдается большой прогресс как в экспериментальных, так и численных исследованиях струй вторичных двигательных систем.

По помянутым причинам сегодня подходящий момент, чтобы подумать о дальнейшем развитии передовых численных методов, используемых в этой важной области космической промышленности. Одной из целей данного проекта является решение важной проблемы взаимодействия струй с поверхностью аппарта при использовании как химических, так и электрореактивных двигателей. По мере развития технологий создания реактивной тяги будут продолжаться исследования взаимодействия струй с поверхностью, и с появлением КА нового поколения подобные исследования будут играть всё большую роль.

При выполнении настоящего проекта планируется провести численные исследования истечения в вакуум газовых струй реальных двигателей управления КА. Такие исследования необходимы для оценки загрязнения и воздействия этих струй как на сам КА, так и на другой КА во время стыковки и расстыковки на орбите. При истечении струи происходит быстрая смена режимов — от континуального (внутри сопла) к переходному (вблизи среза сопла) и свободномолекулярному (на большом расстоянии от среза сопла). Течение, как правило, является сильно неравновесным. Численное моделирование будет проведено с использованием двух подходов: на основе решений уравнений Навье-Стокса внутри сопла, и методом прямого статистического моделирования (ПСМ) вне сопла. Поскольку струя вначале достаточно плотная, метод ПСМ требует значительных вычислительных ресурсов (память и быстродействие). Поэтому потребуется использовать массивно-параллельные ЭВМ и многозонный подход ‒ когда вычисления в некой области вокруг сопла используются как граничные условия для вычислений в большей области. Будет промоделировано течение, возникающее при взаимодействии нескольких струй. Усилия также будут направлены на разработку аналитической модели, которая позволит определить параметры струи в дальнем поле на основе данных на срезе сопла и оценить возможное загрязнение поверхности аппарата / спутника.

Еще одной концепцией, пригодной для выполнения задач, связанных с управлением микро- и наноспутниками на орбите (таких как изменение ориентации и коррекция орбиты), является концепция электрореактивных двигателей. Их основное преимущество перед термохимическими двигателями управления заключается в более высокой скорости истечения струи и, следовательно, в меньшем расходе рабочего вещества при равной тяге (т.е. более высокий удельный импульс). Одной из основных проблем, возникающих при использовании этих двигателей, является взаимодействие плазменной струи двигателя с поверхностью солнечных батарей, радиаторов и других чувствительных элементов аппарата. Характерной особенностью струй таких двигателей является очень высокая степень термической неравновесности течения, что ведет к необходимости применения кинетического подхода, основанного на методе частиц в ячейках (PIC) в комбинации с методом ПСМ. В рамках настоящего проекта будут рассмотрены задачи истечения струй таких двигателей в космическое пространство и их взаимодействие с поверхностью спутников. В частности PIC-модуль для моделирования заряженных частиц будет реализован в предлагаемой вычислительной системе, предназначенной для ПСМ расчетов на гибридных суперкомпьютерах. Современная гидродинамическая модель будет использована для моделирования электронов, в то время как ионы будут моделироваться обычным способом в рамках методов PIC/ПСМ. Будет выполнено моделирование струй электрореактивных двигателей и их взаимодействия с трехмерной моделью спутника / аппарата с целью оценки потенциального ущерба системам связи, научному оборудованию и солнечным батареям. В результате выполнения предлагаемого проекта будет разработана вычислительная система для предсказания взаимодействия струй электрореактивных двигателей с поверхностью аппарата. Особое внимание будет уделено валидации физических и химических моделей струй электрореактивных двигателей сравнением с экспериментальными данными, полученными в наземных установках.

Назад